Lựa chọn kết nối cho IoT

   

Bài viết của Rachel Beddor – Product Marketing Engineer đến từ công ty Microchip sẽ giúp chúng có một cái nhìn rõ hơn về ưu và nhược điểm của các lựa chọn kết nối dành cho thiết kế thiết bị biên trong mạng IoT.

Theo tôi thì kết nối Internet tại căn hộ của tôi có tốc độ rất chậm. Cực chậm. Vô cùng chậm. Trên thực tế, việc streaming phim Netflix thông qua kết nối của tôi kém ổn định đến mức việc bắt đầu xem một bộ phim mới cứ hên xui như là đánh bạc vậy. Tôi là người kiên nhẫn, nhưng cũng không thể xem hết mùa hai của bộ phim truyền hình dài tập The Crown.

Tuy nhiên, vào ban ngày, khi tôi đi làm công việc thiết kế các giải pháp biên mạng IoT, cảm nhận của tôi về tốc độ mạng này lại hoàn toàn trái ngược. Ví dụ như, tuần trước, khi tôi đang cấu hình một cảm biến thời tiết ở xa để nó thỉnh thoảng gửi các gói dữ liệu nhỏ về một máy chủ trong môi trường điện toán đám mây. Tính đơn giản của ứng dụng đó biến đường truyền 10 Mbps mà tôi sử dụng để stream bộ phim The Crown thông qua mạng ở nhà trở nên quá dư thừa.

Không giống với con người, các thiết bị biên mạng IoT không kiểm tra email (thật may mắn cho chúng) hoặc chìm đắm trong các show truyền hình, và vì thế chúng không đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng.

Nhưng cũng có điểm giống với con người, các thiết bị IoT đường như cũng co cụm lại với nhau thành các cộng đồng. Các hệ thống IoT thường bao gồm hàng trăm, thậm chí hàng nghìn thiết bị biên mạng được kết nối. Và với quy mô như vậy, những cân nhắc thiết kế có vẻ như đơn giản lại có ý nghĩa quan trọng đối với sự thành công của sản phẩm. Một trong những quyết định khó khăn về thiết kế mà bạn phải đưa ra là xác định xem thiết bị của mình sẽ kết nối vào mạng như thế nào.

Bản hướng dẫn này sẽ cung cấp cho bạn thông tin tổng quan về những loại phương pháp kết nối phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng IoT. Hãy đọc tiếp để đánh giá các lựa chọn của bạn và xác định xem bạn muốn đưa chữ ‘I’ vào trong thiết kế IoT của mình như thế nào.

Ethernet

Ethernet là một phương thức có tốc độ cao và tin cậy để kết nối các thiết bị vào mạng Internet. Thường xuất hiện trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp và tòa nhà, Ethernet phát huy năng lực trong những hệ thống bao gồm nhiều node trên cùng một mạng.

Một trong những quyết định khó khăn về thiết kế mà bạn phải đưa ra là xác định xem thiết bị của mình sẽ kết nối vào mạng như thế nào.

Mặc dù không có mạng nào là tuyệt đối an toàn, việc xâm nhập từ xa vào một hạ tầng mạng Ethernet riêng là một thách thức lớn đối với tin tặc. Công nghệ cấp nguồn qua mạng Ethernet (Power Over Ethernet – PoE) cũng cung cấp năng lực để cấp nguồn cho thiết bị của bạn thông qua cáp Ethernet, và điều đó loại bỏ yêu cầu phải sử dụng một sợi cáp nguồn riêng.

Ethernet là một phương thức có tốc độ cao và tin cậy để kết nối các thiết bị vào mạng Internet.

Tuy nhiên, việc đấu nối các thiết bị bằng cáp cũng đặt ra những thách thức lớn về mặt thiết kế, và chắc chắn là không phù hợp với mọi ứng dụng. Các node mạng được kết nối bằng cáp Ethernet phải ở gần với một thiết bị định tuyến. Kể cả trong các ứng dụng trên khoảng cách ngắn, như là tự động hóa nhà riêng và tòa nhà, cáp Ethernet vẫn cồng kềnh đến mức việc quản lý và ẩn dấu những sợi cáp đó cũng là một thách thức rất lớn. Các tòa nhà hiện đại có thể được trang bị những hệ thống chiếu sáng tự động nhưng việc lắp đặt một hệ thống IoT Ethernet trong một tòa nhà không được thiết kế dành cho nó thường là bất khả thi.

Wi-Fi

Wi-Fi chính là kết nối Internet được lựa chọn và là lý do ưa thích để bà tôi gọi điện cho tôi. Công nghệ này cung cấp tốc độ và kết nối Internet trực tiếp mà không gặp phải những hạn chế về đấu nối cáp của Ethernet. Các thiết bị phổ thông đều tương thích với Wi-Fi, có nghĩa là việc giao tiếp với thiết kế của bạn có thể trở nên đơn giản giống như là kết nối một chiếc điện thoại di động hoặc máy laptop.

Là một lựa chọn kết nối Internet được ưa thích trong thiết bị điện tử tiêu dùng, Wi-Fi mang đến những lợi ích về tốc độ cao và kết nối không dây.

Kể cả với sự phổ biến của nó, việc bổ sung thêm năng lực Wi-Fi vào một thiết kế nhúng thường là rất phức tạp. Wi-Fi rất hấp dẫn vì đó là công nghệ không dây tốc độ cao, nhưng các lợi ích về tính năng đó lại đi kèm theo những thách thức về lỗ hổng bảo mật và mức tiêu thụ điện năng. Kết quả là, các thiết kế IoT dựa trên công nghệ Wi-Fi đòi hỏi người kỹ sư phải cân đối một cách cẩn trọng giữa các yêu cầu về bảo mật, mức tiêu thụ điện năng và chi phí.

May mắn là, hiện nay đã có các giải pháp để giúp hạ thấp độ phức tạp của thiết kế Wi-Fi. Việc sử dụng một mô-đun Wi-Fi đã được tối ưu hóa cho IoT sẽ đơn giản hóa thiết kế của bạn và rút ngắn thời gian phát triển. Những mô-đun như ATWINC1500 đã được chứng nhận toàn diện, hỗ trợ các giao thức bảo mật và được tối ưu hóa cho các thiết bị hoạt động bằng nguồn pin, hỗ trợ kết nối Wi-Fi mà không phải thỏa hiệp về tiêu chí chi phí và mức tiêu thụ điện năng.

Mạng diện rộng có mức tiêu thụ điện năng thấp (Low Power Wide Area Network – LPWAN)

LPWAN ít phổ biến hơn trong các sản phẩm tiêu dùng, do đó bạn có thể không biết nhiều về công nghệ này. Tuy nhiên, chúng lại rất phổ biến trong các hệ thống IoT có đòi hỏi phạm vi rộng, như là các ứng dụng giám sát môi trường.

Ưu điểm của việc sử dụng IoT cho hoạt động giám sát môi trường là ở chỗ, chúng ta có thể giám sát các khu vực nông thôn, ngoài khơi và thậm chí là các khu vực không thể tiếp cận được. Vấn đề là ở chỗ, những địa điểm này nằm ở vùng nông thôn, ngoài khơi và thường là không thể tiếp cận được. Bạn không thể sạc nhanh cho một thiết bị đang nổi lềnh bềnh trên miệng vực Mariana Trench hoặc kết nối Wi-Fi trên sa mạc Sonoran.

Nông nghiệp là một ứng dụng hoàn hảo của LPWAN bởi vì những mạng này có thể bao phủ những khu vực có diện tích lớn với mức công suất rất nhỏ.

Khoảng cách lớn nhất trong ứng dụng LPWAN tiêu biểu vào khoảng 10 km. Dữ liệu được truyền với tốc độ rất thấp, nhưng trừ khi giải pháp IoT của bạn kiểm tra email và streaming video, bạn sẽ không cần đến một kết nối tốc độ cao.

Mặc dù được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng nông nghiệp và ứng dụng từ xa, LPWAN không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực đó. Các mô hình sử dụng ở đô thị cũng đang gia tăng, và một trong những dự án triển khai IoT thương mại lớn nhất dựa trên LPWAN ở Bắc Mỹ đã sử dụng LPWAN để theo dõi phương tiện giao thông trong một lô đấu thầu.

Có hai giao thức LPWAN phổ biến: LoRaWAN (viết tắt của Long Range-Khoảng cách xa, hay LoRa) và Sigfox. Điểm khác biệt giữa hai giao thức đó là chi phí. Sigfox là dịch vụ dựa trên thuê bao và hoạt động giống với mạng di động. Nếu Sigfox khả dụng tại khu vực của bạn, bạn có thể kết nối thông qua một gói thuê bao Sigfox với một nhà cung cấp dịch vụ tại địa phương. Với LoRaWAN, các nhà phát triển có thể tránh được chi phí thuê bao bằng cách tự xây dựng một hạ tầng mạng, nhưng phần lớn vẫn lựa chọn sử dụng một thiết bị gateway LoRa của một nhà mạng tại địa phương và trả phí tương ứng với mức độ sử dụng.

Di động

Mạng di động phủ sóng phần lớn thế giới. Đối với các hệ thống nhúng đòi hỏi khoảng cách này, kết nối di động là lựa chọn duy nhất. Tuy nhiên, chi phí của giải pháp này rất đắt đỏ. Bạn phải lựa chọn một nhà mạng viễn thông, và không thể tự xây dựng một hạ tầng mạng nếu không có sự phê duyệt, cấp phép của cơ quan quản lý nhà nước. Chi phí của các thành phần nhúng và thuê bao nhà cung cấp dịch vụ cho mỗi node mạng thường vượt xa lợi ích về vùng phủ sóng rộng của mạng di động.

Do đó, điều quan trọng là phải phân biệt giữa mạng di động được sử dụng để kết nối các thiết bị và hóa đơn mà bạn phải thanh toán hàng tháng cho chiếc điện thoại di động của mình. Các mạng IoT chuyên dụng đang nổi lên để cạnh tranh với LPWAN. Một mạng di động dành cho IoT đang phát triển là LTE CAT-M. M là chữ viết tắt của “Machine-Máy móc” và đó là một lựa chọn có tốc độ, chi phí và mức độ tiêu thụ điện năng thấp hơn, được tối ưu hóa cho IoT. Mặc dù bạn có thể đã quen với những hóa đơn điện thoại di động đắt đỏ, các gói cước CAT-M thường rẻ hơn rất nhiều so với các gói cước dành cho người tiêu dùng. Các lựa chọn khác cho kết nối IoT di động là CAT-0, CAT-1 và NB-IoT mới hơn (NB là chữ viết tắt của “Narrow Band-Băng hẹp”).

Khi triển khai 5G, chúng ta có thể kỳ vọng rằng nó sẽ thúc đẩy sáng tạo về IoT. Tốc độ cao hơn của 5G có thể tạo ra nhiều tiến bộ hơn về các ứng dụng IoT đỉnh cao, như là xe ô tô tự hành, mặc dù vẫn còn ở mức giá cao hơn so với các mạng IoT thuần túy. Vùng phủ sóng 5G không rộng như LTE hoặc 3G, nhưng đang trong quá trình mở rộng. Một số chuyên gia phân tích trong ngành đã dự báo rằng, 5G sẽ tiếp cận 20% dân số thế giới trong vòng 5 năm tới.

Vệ tinh

Vùng phủ sóng di động có thể bao phủ phần lớn khu vực có người ở trên thế giới nhưng nếu bạn muốn kết nối thiết bị ở vùng sâu vùng xa thì sao?

Mặc dù vệ tinh mang lại lợi ích cho những vùng sâu vùng xa trên thế giới không được phủ sóng di động, các lựa chọn hiện nay chỉ giới hạn ở sử dụng IoT thương mại.

Kết nối vệ tinh được sử dụng cho các ứng dụng IoT như là vận tải tàu biển logistics tại các khu vực xa xôi trên trái đất, nơi không có sóng di động. Mặc dù được kỳ vọng là sẽ thay đổi khi công nghệ vệ tinh phát triển hơn, việc phát triển một ứng dụng IoT dựa vào vệ tinh không dễ tiếp cận như các lựa chọn kết nối khác. Nhiều chùm vệ tinh được dành riêng cho mục đích quân sự, nhưng bạn có thể mua các mô-đun từ Iridium và ORBCOMM.

Bluetooth

Có thể bạn cũng đã quen thuộc với công nghệ Bluetooth. Cả Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy- Bluetooth năng lượng thấp (BLE) đều có khoảng cách kết nối xa nhất lên tới hơn 100 m nhưng lại thường được sử dụng cho các thiết bị ở cách nhau chừng vài mét. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thấy sự xuất hiện của Bluetooth trong các phụ kiện của điện thoại và máy tính PC – như tai nghe, bàn phím và màn hình.

Bluetooth rất phù hợp với các thiết bị điện tử tiêu dùng do mức tiêu thụ điện năng thấp của nó (trong đó BLE có mức tiêu thụ điện năng cực kỳ thấp), được hỗ trợ rộng rãi và có thể ghép đôi một cách nhanh chóng.

Không giống như Wi-Fi, Bluetooth không trực tiếp kết nối vào mạng Internet. Bạn cần phải thiết lập một gateway để kết nối vào mạng Internet Mặc dù việc thiết lập gateway của riêng bạn có thể khó khăn, thường sẽ dễ dàng hơn khi kết nối với một thiết bị di động có kết nối Wi-Fi.

Bluetooth 5 là bản cập nhất mới đây để mở rộng vùng phủ sóng của Bluetooth và nhờ đó, nó có thể được sử dụng trong việc kết nối mạng nhà riêng. Trong khi Bluetooth Classic và BLE thường được sử dụng để kết nối các thiết bị chỉ cách xa nhau vài mét, bạn có thể kết nối trên phạm vi của cả một căn nhà bằng công nghệ Bluetooth 5. Vùng phủ sóng rộng hơn này đưa Bluetooth vào lãnh địa của các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, chiếu sáng và các ứng dụng công nghiệp.

Các khuyến nghị triển khai

Điểm khác biệt chính của các phương pháp kết nối này là trong khả năng triển khai dễ dàng đến mức độ nào. Sẽ dễ dàng hơn khi phát triển sản phẩm mẫu bằng các công nghệ mạng được sử dụng phổ biến như là Bluetooth Classic và BLE, bởi vì có thể bạn đã sở hữu một hoặc nhiều thiết bị tương thích (ví dụ như điện thoại di động). Điều đó cho phép bạn kết nối với sản phẩm mẫu một cách dễ dàng và đánh giá thiết kế của mình một cách nhanh chóng hơn.

Một số mô-đun BLE đã được chứng nhận sẵn sàng dành cho người tiêu dùng và nhiều mô-đun hỗ trợ mã nguồn mở cũng như đã có các bài hướng dẫn cách thức lập trình các mô-đun đó. Hầu hết các mô-đun đều liên lạc với nhau thông qua các giao thức tiêu chuẩn như là SPI, UART và I2C. Điều đó làm cho việc tích hợp một mô-đun không dây trở nên dễ dàng như một thành phần kỹ thuật số. Việc chứng nhận trước giúp tránh được việc phải trải qua quá trình chứng nhận sản phẩm – vốn rất đắt đỏ và mất nhiều thời gian.

Đơn giản hóa quy trình thiết kế

Các bo mạch phát triển AVR-BLE và PIC-BLE của Microchip là ví dụ về các công cụ phát triển được đồng bộ hóa dành cho các ứng dụng IoT và các ứng dụng kết nối khác. Những bo mạch này được cấu hình sẵn để truyền dữ liệu của gia tốc kế và nhiệt kế đồng thời tích hợp với một giao diện tùy biến trong ứng dụng LightBlue Explorer. Với mức độ tương thích rộng rãi với các thiết bị của người tiêu dùng như là điện thoại thông minh, những thiết bị cũng có thể được cấu hình như gateway với mạng Internet, bạn có thể bỏ qua rất nhiều bước của công việc thiết kế và đi thẳng vào những gì quan trọng nhất là: sáng tạo và đưa sản phẩm của bạn ra thị trường nhanh chóng hơn.

Thông qua các công cụ được cấu hình sẵn, dễ sử dụng, như là AVR và PIC-BLE, việc phát triển một thiết bị được kết nối đã trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Cho dù bạn là một nhà thiết kế giải pháp nhúng chuyên nghiệp hay chỉ là người chơi a-ma-tơ chế tạo một thiết bị điện tử vì sở thích, bạn luôn có thể phát triển một hệ thống IoT mạnh mẽ, đa phương diện. Khả năng tiếp cận mạnh mẽ này, cùng với một thế giới ngày càng được kết nối, đảm bảo rằng kết nối sẽ tiếp tục tạo ra sự tiến bộ theo một cách thức chưa từng có.